浅析珠海某超高层办公建筑节能设计

董红霞 邱少腾 裴 佩

（1.北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045；2.深圳市绿大科技有限公司，广东 深圳 518000）

0 引言

由于城市发展用地紧张，越来越多的建筑以超高层的形式出现，超高层建筑的能耗水平一般比普通办公建筑的高，为了加强对此类建筑能耗的控制，提高能源系统应用方案的合理性，需要对其进行专项论证评审。

根据《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）第 1.0.4条：“当建筑高度超过 150m 或单栋建筑地上面积大于 200000m² 时，除应符合本标准的各项规定外，还应组织专家对其节能设计进行专项论证。” 该文从项目的建筑形体设计、设备机电系统的节能措施、全年能耗分析等方面进行了阐释和验证。

1 项目概况

该项目位于广东省珠海市珠澳跨境工业区，项目总用地面积为8523.67 ㎡，总建筑面积82657.05 ㎡，容积率7.25；建筑高度162m ，项目地下3 层，地上33 层，其中开放式单元式办公399370.3 ㎡，酒店式办公17775.90 ㎡，该项目于2018 年10 月通过节能审查。

2 节能专项设计

2.1 建筑形体设计与室内环境

珠海气候属夏热冬暖地区，地理上位于珠江口西岸。该地区在建筑方案阶段应充分考虑被动节能技术，建筑的朝向考虑日照、采光、通风、遮阳等要求，做到尽量合理。坐北朝南是我国许多地区的合理朝向。体型设计也是建筑节能设计中非常重要的环节。但对于夏季炎热的南方而言，主要考虑的问题是自然通风和建筑遮阳，宜采取舒展通透的平面。项目通过方案综合比选，结合当地风貌及建筑风格，确定了项目的形体设计。

2.2 节能热工设计

项目在设计过程中，外围护结构的节能措施包含以下2个方面： 1）在建筑外围护结构和材料的选用上，建筑外墙砌块墙采用200mm 加气混凝土+双面20mm 砂浆和35mm钢筋混凝土+100mm 矿棉、岩棉、玻璃棉板+30mm 保温砂浆；建筑屋顶隔热采用30mm 挤塑聚苯保温板，有效隔绝了热量。 2）建筑的外窗采用8mm 较低透光Low-E+12mm 空气+8 透明，在保证透光率的同时具有较佳的传热系数和遮阳系数，有良好的气密性能和水密性能。

2.3 暖通空调节能措施

2.3.1 冷热源机组选型及方案配置优化

该工程根据根据业主后期产权及使用功能不同进行了系统划分，其中1 层、21 层、32 层～33 层为业主自有产权且自用，需要系统独立，整栋大楼空调分为以下系统，见表1。

空调风系统形式如下。1～4 层末端采用吊顶式空调处理机组+新风机组；5～9 层及21～33 层采用风机盘管加新风形式，新风设于9 层避难层新风机房内。

项目计量方式如下。11～20 层及22～23 层按房间设分户远传计量表，空调系统主机处设总计量装置，冷冻水及冷却水补水系统设计量装置。

2.3.2 节能措施

节能措施如下：1）该项目的空调系统的冷源机组能效优于国家标准及节能评价值的要求，集中空调系统为变流量系统。水系统流速设计采用经济流速，主管流速控制在1.8m/s～2.4m/s。设计均选用水阻合理的设备、阀门，控制系统水阻力，降低水泵能耗。空调冷冻水系统耗电输冷比ECR满足比《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2015 的节能限值降低20%以上。2）空调风系统和通风系统的风机单位风量耗功率满足节能标准要求，新风机组采用变频控制。3）水泵、风机能效等级满足《清水离心泵能效限定值及节能评价值》GB19762、《通风机能效限定值及能效等级》GB19761中能效等级2 级的要求。4）供暖空调系统末端现场可独立调节。地下室设置与排风联动的一氧化碳浓度监测装置。

表1 空调系统冷热源系统形式

2.4 给排水节能措施

项目给水水源为城市自来水，提供的城市自来水水压为0.25MPa。项目合理进行分区并充分利用市政水压：-3F～2F为一区，3F～9F 为二区，由地下室二区生活变频机组加压供水；10F～15F 为三区，由地下室三、四区生活变频机组加压后减压供水；16F～21F 为四区，由地下室三、四区生活变频机组加压后减压供水；22F～28F 为五区，由地下室输泵及22F 避难层五、六区生活变频机组加压后再减压供水；29F～屋面为六区，由地下室输泵及22F 避难层五、六区生活变频机组加压后再减压供水。合理设置减压阀。供水压力超过 0.20MPa 时给水支管上设减压阀，控制各层用水器具的流出水头，不仅可节约用水，也可增加使用舒适感。

采取有效措施避免管网损漏。水池、水箱均设置报警装置，防止进水管阀门故障时，水池、水箱长时间溢流排水。项目实行分类、分项用水计量措施，每户均设置水表，相对集中设于公共区域水表井内，方便计量收费。

所有用水点均采用节水器具，包括水嘴、小便器、坐便器（单档、双档）和大便器均能达到相关标准规定的用水效率等级1 级的要求。绿化用水采用微灌形式并设置单独用水计量。

该工程11F～20F 的酒店式办公采用集中热水系统，最高日生活热水用水量为67.2 m/d，最高时生活热水用水量为8.96 m/d，设计小时耗热量为461kW。基于满足热水需求的情况下提高制冷能效的角度考虑，热水温度为45℃/50℃。生活热水热源由空气源热泵和冷凝热回收式机组提供，根据季节或室外温度切换热源供给方式，最大程度上实现了建筑余热利用。

2.5 电气节能措施

变压器均采用SCB13 以上级别的干式电力变压器，其变压器空载损耗、负载损耗均达到《三相配电变压器能效限定值及能效等级》（GB 20052-2013）中的二级能效要求。在变配电室低压侧设置功率因数集中自动补偿装置，补偿后功率因数不小于0.90，减少配电系统无功损耗。

该项目为超高层建筑，用电系统较为复杂，因此设有电力监控系统，在低压系统设置较为完备的远传式智能计量仪表，对照明插座、空调、动力、特殊用电等各项用电进行分项计量，采集数据汇至监控中心实现图形化的用能监测及分析，为项目的用电分户收费、加强节能管理提供有力保障。

项目采用LED 光源及其他节能型灯具，显色指数Ra ≥80，色温在3300K～5300K。各房间场所照度、照明功率密度、一般显色指数、统一眩光值等设计参数均按《建筑照明设计标准》（GB50034-2013）规定进行设计，其中照明功率密度均不高于目标值。公共区域根据房间功能、使用时间的差异，选择合理、节能的照明控制措施。地下车库、公共走道、大堂、电梯厅、环境照明、泛光照明等设置智能照明控制系统，相应照明配电箱预留智能照明模块，可根据照明使用需求，灵活采用；楼梯间、前室及电梯厅采用红外感应开关控制，做到人走灯灭；其余物业用房、设备房等均采用就地照明开关控制。

3 模拟优化分析

为了考察项目的实际节能效果及室内环境效果，进行了全年能耗模拟及自然通风节能潜力分析，进而论证项目可行性及室内环境效果。

3.1 全年能耗模拟分析

3.1.1 模拟软件及参数

采用建筑全年能耗模拟软件eQUEST 3-65 作为项目的能源分析工具。选用珠海典型气象年8760h 气象参数，同时根据《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015 建立参照模型。通过对设计模型与参照模型的分析和比较，评价设计模型的能耗水平，建筑能耗模型信息详见图1。

图1 项目能耗模型图（北侧面）

3.1.2 模拟设置

设计模型是根据项目设计图纸建立。设计模型的输入参数（包括建筑分区、围护结构性能、暖通空调系统性能、灯光及设备负荷、系统控制模式、运行时间等）均按照现行设计的规定。其中节能策略包括高性能围护结构、高效冷水机组、变频水系统、高效率风机、水泵、高效率照明、利用自然通风等方面。

参照模型以《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015 为指导建立。参照模型的外墙、屋顶、外窗的热工性能参数均按照《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015 限值，内热源参数（人员、照明、设备等）均与设计建筑保持一致，空调系统类型均与设计建筑保持一致，冷热源性能系数按照《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015 限值，输配系统不考虑变频节能措施，水泵、风机功率信息根据《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015 要求设定。设计建筑与参照建筑的热工性能参数见表2，空调系统形式设定参数见表3。

3.1.3 模拟结果

经过能耗模拟分析计算本项目设计建筑全年能耗为6221.265mWh，单位建筑能耗为75.27 kW·h/㎡，其中地上部分单位建筑能耗73.19 kW·h/㎡，地下车库面积为19506.81 ㎡，通过模拟计算地下车库设计建筑的能耗为171.51mWh，单位面积建筑能耗为8.79 kW·h/㎡ 参照建筑能耗为217.159 mWh，单位面积建筑能为11.13kW·h/㎡，设计建筑与参照建筑年耗电量及单项能耗节能率分析对比见表4，计算分析可知，其水泵及风机节能率较高，设计建筑各组成部分的分项能耗占比构成详见图2，其中制冷能耗为31%，照明能耗为22%，对应节能率分别为14.29%及8.34%。设计建筑与参照建筑单位面积能耗指标详见图3，图中可见，除电梯及办公设备能耗一致外，其余各能耗指标设计建筑均比参照建筑有所降低。

图2 设计建筑能耗占比分析图

3.2 自然通风节能潜力分析

采用eQuest3-65 能耗计算软件内置通风模块Sherman-Grimsrud 方式进行通风节能潜力计算，该方式将基于室内外温差、风速进行自然通风节能计算。

与无自然通风情况下的建筑制冷能耗相比，自然通风条件下，建筑的制冷能耗在1 月份和2 月份降低幅度最大，达到了100%。3、4、11、12 月为51%～60%，5 月和10 月降低幅度不大，分别约为11%和15%，6 月至9 月降低幅度较小，约0%～7%左右。

由以上分析可以看出，自然通风对于降低建筑制冷能耗效果显著。其中在除夏季外的过渡季节效果尤为明显，而对于降低夏季空调制冷能耗的效果并不大，基本小于7%。这是因为珠海地区夏季室外空气温度较高、湿度大、太阳辐射强，夏季主要依靠空调系统达到室内的舒适度，能利用自然通风的时间很短。而对于其他月份，室外空气温度适宜，气候良好，这时对建筑进行自然通风，就能改善室内的热环境，降低室内空气温度，在获得良好的室内热舒适性的前提下，降低空调的制冷能耗。

图3 设计建筑与参照建筑单位面积能耗指标对比图

综上所述，在室内有效的自然通风条件下，建筑的制冷能耗比在无自然通风情况下，降低了601.2 mWh，下降幅度为21.60%。与无自然通风的建筑总能耗相比，降低的制冷能耗约占建筑总能耗的10.3%，因此合理采用自然通风可有效缩短全年的空调系统运行时间，有良好的节能潜力。

表2 设计建筑与参照建筑热工参数

表3 空调系统形式

表4 设计建筑与参照建筑模拟能耗模拟结果

3.3 结果分析

将这次设计建筑能耗模拟计算结果与《民用建筑能耗标准》GB/T51161-2016 中夏热冬暖地区的约束值进行对比，对比结果见表5。根据《民用建筑能耗标准》GB/T51161-2016 的基本规定，不同建筑类型的建筑能耗指标应小于其所属气候区所对应的建筑能耗指标约束值。通过模拟计算，得到设计建筑总能耗约为参照建筑总能耗的88 %，且满足《民用建筑能耗标准》GB/T 51161-2016 约束值要求。

4 结论

该项目的主要结论如下。项目总平面规划和建筑方案充分考虑气候环境、地块特性、建筑功能需求等因素进行合理布局设计，围护结构采用热工性能良好的材料构造。通过能耗模拟软件，分别模拟了项目塔楼在无自然通风和有自然通风情况下的建筑综合能耗。相对无自然通风的建筑总能耗，有自然通风时降低的制冷能耗约占建筑总能耗的 10.3%，具有良好的自然通风节能潜力。暖通空调系统综合采用高效冷水机组、水泵变频、电气系统采用高效灯具，智能控制等措施。 模拟后各功能区域均满足《民用建筑能耗标准》GB/T 51161-2016 的相关能耗指标要求，且比参照建筑综合能耗指标降低12%。 目前《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB 55015-2021于2022 年4 月1 日开始执行，该规范对建筑热工、机组能效及可再生能源应用等方面均有了相应的提升和要求，该项目为该规范执行前的设计项目，与目前规范要求还有一定的差异，建议今后超高层项目需执行通用规范要求，并结合项目情况合理进行可再生能源设计，并进一步提升热工及能效等方面要求。

表5 模拟计算结果与约束值的对比结果